SPECIALIZAREA SISTEME DE PRODUCȚIE DIGITALĂ [304974]

[anonimizat]: [anonimizat] – TUDOR

2020

[anonimizat] – TUDOR

MAȘINĂ PENTRU PRELUCRAT CONTUR CIRCULAR ÎN LEMN

Coordonator științific

BUIGA OVIDIU

Declarație de originalitate din partea student: [anonimizat],

Declar că lucrarea de licență cu titlul:

MAȘINĂ PENTRU PRELUCRAT CONTUR CIRCULAR ÎN LEMN

Reprezintă contribuția mea originală și nu a fost plagiată.

Lucrarea a fost elaborată de mine sub îndrumarea Dr.Ing. BUIGA OVIDIU.

Data:

30.06.2020

Declarație de originalitate din partea coordonatorului științific

Subsemnatul Dr.Ing. BUIGA OVIDIU

Cadru didactic îndrumător al lucrării de diplomă cu titlul:

MAȘINĂ PENTRU PRELUCRAT CONTUR CIRCULAR ÎN LEMN

Realizată de doamna/domnul: [anonimizat],

confirm prin prezenta că nu am cunoștință ca realizările prezentate în lucrare să fie copiate sau să reprezinte contribuțiile unei alte persoane decât autorul nominalizat.

Data:

30.06.2020

[anonimizat] l-a ajutat pe om să supraviețuiască și i-a oferit în același timp posibiliatea de a-[anonimizat]. Descoperiri arheologice atestă rămașițe a [anonimizat], mese, mijloace de transport cu două roți și chiar unelte. [anonimizat], multe obiecte s-au pierdut.

Prelucrarea lemnului a devenit astfel o ocupație de bază a bărbaților, care s-a transmis din generație în generație pe parcursul secolelor. [anonimizat], tâmplarii, strungarii, rotarii, etc. [anonimizat] a lemnului, [anonimizat], înzestrate cu motivele geometrice tradiționale (cercul, rombul, [anonimizat], etc).

Cunoșințele legate de calitățile diferitelor esențe de lemn erau transmise din generație în generație. [anonimizat], [anonimizat] o posedă, [anonimizat] o [anonimizat], [anonimizat].

Tăierea copacilor se realiza tomna sau iarna. O metodă interesantă de extragere a sevei din tulpina copacului era prin lăsarea frunzelor în vârful copacului după decojirea acestuia. [anonimizat], curățire a crengilor, decojire și uscare. Lemnarii erau cei responsabili de uscarea lemnului și tratarea lui pentru a preveni apariția cariilor. [anonimizat] „pârlirea” [anonimizat] o [anonimizat], dar ferit de soare. Pentru lemnul destinat realizării pieselor mijloacelor de transport, exista o tehnică, prin care lemnul era ținut câteva luni în gropi umplute cu gunoi de la vite.

Până la apariția industrializării, prin secolul XIX, uneltele utilizate de meșterii lemnari erau confecționate manual și se prezentau sub formă de topoare de mai multe mărimi, securi de despicat sau tăiat, fierăstraie de mână cu pânză lungă, denumit popular „joagăr”, suporți de lemn cunoscuți sub denumirea de „capră”, sfrederul, rindeaua, dalta, maiul de lemn, etc.

Dintre meșteșugurile anterior menționate, voi scoate în evidență rotăritul, care se baza pe realizarea roților de car. Roata, la modul cum noi o cunoaștem, este rezultatul a sute de ani de evoluție.

Figură . – Rotari cu produsele în târg

Primele tipuri de roti erau pline, fiind astfel foarte grele și inerțiale. Modelele următoare, erau realizate din scânduri alăturate, dar ca și în cazul anterior, greutatea era un inconvenient. Datorită acestui inconvenient s-au inventat spițele, care, au scăzut considerabil greutatea roților și pe deasupra le-au făcut mai rezistente la diferite solicitări.

Revenind la roata de car, ea începea cu un butuc, care era stunjit, si pe care se realizau apoi locașurile pătrate pentru fixarea spițelor. Ajustajul dintre locașul realizat și spiță era cu străngere, astfel spița era bătută în butuc. La celălalt capăt al spițelor se așezau cele șase obezi, realizate după șablon. Existau și tehnici de îndoire a lemnului în cuptoare, fapt care permitea realizarea tălpii dintr-o singură bucată. Fixarea dintre obezi și spițe se realiza cu ajuorul unor icuri de lemn, iar la îmbinarea dintre obezi se împlânta câte o lamă de fier. Peste talpă se fixa o bandă de metal realizată de fierari.

Figură . – Elementele componente ale unei roți de car

Obiective

Lucrarea de față prezintă posibilitatea de realizare mai rapidă și precisă a unei componente din ansamblul suport de flori, mai precis, cercul de lemn din cadrul subansamblului roată.

Tatăl meu a început realizarea acestor suporți de flori acum 8 ani, ideea fiind preluată dintr-o revistă de bricolaj, timp în care, piese componente au suferit modificări din varii motive: îmbunătățirea aspectului, economisirea de material și scurtarea timpului de prelucrare/asamblare. Participând la elaborarea acestor suporți de flori, de la începutul producției, care se face cu croirea materialului, până la etapa terminală, adică de vopsire, am constat că o cantitate mare de timp se investește în realizarea cercului roții. Acest aspect m-a motivat în a găsi o soluție care să ne permită realizarea acestui semifabricat într-un timp relativ scurt, să fie mecanizată pe cât posibil și dacă se poate să fie utilizabilă pentru mai multe diametre.

Astfel m-am gândit la o freză cu două capuri de frezare dispuse vertical, cu distanță reglabilă între ele și care să acționeze pe semifabricatul așezat pe un platou rotativ. Utilizând două freze deget cu un anumit regim de așchiere această mașină-unealtă ne-ar permite să debităm simultan conturul interior și exterior al semifabricatului, ajungând astfel la cercul de lemn necesar roții.

Stadiul actual

După cum am mențional la început, produsul final este un suport de flori din lemn. Acest ansamblu se compune din trei subansamble, mai exact: subansamblul cutie suport jardieneră, subansamblu roată și subansamblul talpă. Cutiile suport sunt în număr de trei și au o dimensiune de 60x19x14 cm. Roțile, două la număr, au diametrul maxim de 50 cm o lățime de 6 cm și o grosime de 3,5 cm. Tălpile, una pentru fiecare roată, au dimensiunile 60x7x5,5 cm. Materialul cel mai des utilizat este lemn de brad, dar se pot folosi și esențe tari. Fixarea pieselor în cadrul subansamblelor se face cu ajutorul aracetului, cuielor și a holșuruburilor.

Figură . – Modelare 3D a suportului de flori de lemn

Subansamblul cutie suport, este format din următoarele piese: 2 capace laterale având dimensiunea de 14x19x2 cm, 4 lonjeroane de 56x4x2,2 cm cu nut de 7 mm în care se vor fixa cei 22 de baluștrii cu dimensiunea de 8x2x0,7 cm și finalmente 2 bacuri de 19x4x2 cm care au rolul de susținere a jardinierelor.

Figură . – Subansamblu cutie suport jardinieră

Subansamblul talpă este format din talpa propriuzisă, la care se adaugă două bacuri de lemn pătrate, cu o dimensiune de 8x8x1 cm care au rolul de tampoane, protejând astfel talpa prin evitarea contactului acesteia cu suprafata pe care va fi pus suportul.

Figură . – Subansamblul talpă

Pentru a completa ansamblul, este nevoie și de două roți. Acest subamsablu, este cel mai complex și pentru care se consumă cel mai mult timp în realizarea lui. Acest subansamblu este format din următoare piese: o decorațiune hexagonală cu dînscris = 10 cm și o grosime de 3 cm, opt spițe de dimensiune 22,5x3x2 cm, ascuțite la 45° și rotunjite la celălalt, un suport interior de 10x10x3,5 cm și finalmente un cerc format din 6 obede cu având dexterior = 50 cm, o lățime de 6 cm și o grosime de 3,5 cm.

Figură . – Subansamblu roată

Din acest subansamblu, cea mai elaborioasă parte este realizarea cercului de lemn. Acest proces începe prin realizarea unor semifabricate de formă trapezoidală de dimensiuni bine stabilite astfel încât, după îmbinarea lor cu cepuri și cu ajutorul racetului și a cuielor să putem ajunge la o formă hexagoală, cu lățimea necesară pentru a putea decupa forma circulară.

Figură . – Transformarea de la semifabricat la piesă

În momentul de față, aceste operații le realizăm manual, folosind scule universale și dispozitive improvizate, lucru care ne face să pierdem timp și să nu obținem rezultatele dorite. Pornind de la semifabricatul deja încleiat, voi detalia în cele ce urmează operațiile pe care le realizăm pentru a ajunge la cercul de lemn.

După ce au fost încleiate cele 6 piese trapezoidale, cu ajutorul unui șablon, de dimensiune prestabilită, care se fixează pe semifabricat, se trasează conturul exterior și interior după care se vor face tăieturile pentru înlăturarea surplpusului.

Figură . – Trasarea conturului interior și exterior

Următorul pas este decuparea surplusului exterior. Acest lucru se face cu ajutorul unui fierăstrău vertical cu bandă, respectând conturul trasat anterior.

Figură . – Decupare surplus exterior

După acest pas, se trece la decuparea surplusului interior, care se face cu ajutorul unui fierăstrău pendular și a unui dispozitiv de sprijin.

Figură . – Decuparea surplusului interior

Odata realizat și acest pas, se trece la retușarea contururilor, dat fiind că din operațiile anterioare nu s-a putut obține un contur relativ asemănător cu cel trasat. Acest lucru se face cu ajutorul unei freze cu ax vertical în care pentru retușarea conturului interior se folosește o freză cilindrică cu dinți înclinați, iar pentru conturul exterior, un tambur cu bandă abrazivă. Pentru prima operație, conturul exterior, semifabricatul este fixat pe un șablon având diametrul exact cu cel a unei roți, lucru care permite ghidarea semifabricatului pe freza prin sprijinirea șablonului pe rulmentul așesat sub freza.

Figură . – Retușarea conturului exterior și interior

Finalmente, se obține cercul de lemn, dar, după cum se poate observa în imaginea de mai jos, există abateri de la contururile trasate, datorita numărului mare de manipulări a semifabricatului, a lipsei de rigidizare a acestuia în timpul prelucrărilor si datorită sculelor utilizate.

Figură . – Rezultat final (cerc de lemn)

Pe lângă numărul mare de manipulări, timpul necesar realizării tuturor operațiilor este foarte mare, după cum se poate observa în tabelul următor:

Tabel . – Timpii de realizare pe faze

În urma cronometrării întreg procesului rezultă un timp de 18 minute pentru un singur cerc. Fiind nevoie de două astfel de semifabricate, timpul necesar realizării lor pentru un produs final este de 36 minute, timp care, din punctul meu de vedere este foarte mare. Dacă ne-am raporta la un program de lucru de 8 ore/zi, ar rezulta că am putea produce doar 26 de astfel de semifabricate, care, la rândul lor ar ajunge pentru doar 13 produse finale.

Aici am realizat că trebuie găsită o soluție pentru realizarea acestei operații de decupare astfel încât să ne permită să creștem productivitatea iar rezultatul să nu se abată mult de la forma lui teoretică.

Perspective

Pentru a satisface cerințele impuse anterior, am considerat că cel mai practic ar fi o freză cu ax vertical, cu două capuri de frezare care să permită o reglare a distanței între arbori și care, să decupeze prin frezare, atât interior cât și exterior, surplusul de pe semifabricatul aflat pe un platou rotativ.

Prezentarea generală a mașinii-unelte

Mașina unealtă denumită Mașină pentru prelucrat contur circular în lemn, prescurtată MPCCL este construită din 4 subansamble principale, mai exact:

Subansamblul cadru

Subansamblul antrenare

Subansamblul platou rotativ

Subansamblul fixare semifabricat

Figură ..1 – Model 3D MPCCL

Antrenarea frezelor se face cu ajutorul a doua motoare monofazate de 2,2 kW fiecare printr-o transmisie cu curea. Grupul de frezare permite reglarea distanței între axele arborilor fapt care permite realizarea operației de frezare pe mai multe grosimi. Se poate de asemenea acționa doar grupul 1 de frezare (cel din față ) dacă nu se dorește prelucarea simultană interior-exterior, fapt care permite frezari exteriore în semifabricate pline. Turația de lucru pentru ambele freze este de 9000 min-1, obținută din raportul diametrelor fuliilor, având o turație nominală la axul motoarelor de 3000 min-1. Controlul axelor mașinii este mecanic, bazat pe angrenaje conice, transmisii de tip șurub-piuliță, asamblari prin caneluri și chiar cuplaj cardanic. Astfel, pentru mișcarea cadrului mobil pe direcția Y, se acționează roata de mână din mijloc, care transmite momentul șurubului cu filet trapezoidal Tr20x4. Această mișcare de rotație este transformată în mișcare liniară datorită piuliței fixate pe o piesă legată rigid de cadrul mobil. Fiind filet cu pas normal, la mișcarea roții de mână în sens orar, cadrul mobil va avansa către operator. Cadrul mobil este ghidat cu ajutorul unor ghidaje de frecare, special concepute pentru a rezista în medii de lucru cu particule de lemn sau metale. Pentru mișcarea pe axa Z am optat pentru o bară canelată, având montată pe ea o roată dințată conică și care se mișcă față-spate odată cu cadrul mobil. Acestă roată transmite momentul de rotație preluat de la bară către a două roată dințată conică, care la rândul ei este legată rigid de un șurub trapezoidal Tr10x2. Datorită fixării piuliței pe placa de susținere a grupului de frezare, mișcarea de rotație a surubului va fi transformată în mișcare de translație pe axa Z, astfel, la rotirea roții de mână, din partea stângă a mașinii, în sens orar, grupul de frezare va efectua o mișcare în sens pozitiv pe axa Z și negativ dacă acționăm roata în sens contrar. Platoul rotativ este antrenat de cea de-a treia roată de mână. Mișcarea de rotație de la aceastra trece print-un cuplaj cardanic, un angrenaj cu roți dințate conice și ajunge la pinionul care antrenează coroana fixată pe baza platoului rotativ. Astfel, mișcarea roții în sens orar va determina mișcarea platoului în același sens.

Subansamblul cadru

Acest subansamblu este compus din cadrul propriuzis, placa pe care se montează platoul rotativ, șinele ghidajelor liniare, cadrul mobil împreună cu placa suport pentru grupul de frezare și ghidajele aferente și nu în ultimul sistemele mecanice de avans pe axele Y, Z și rotirea platoului.

Figură . – Model 3D Subansamblu cadru

Cadrul fix este realizat din profil L de 80x80x8 mm și țeavă pătrată de 80x80x5 mm și are dimensiunile 1515x1015x785 mm. După sudarea profilelor, laterala profilului L care ramâne orientată în partea de sus va fi tăiată astfel încât să coincidă cu placa principală. Pentru creșterea rezistenței cadrului se vor suda guseri la fiecare unghi drept. In guseul din fată-dreapta se va realiza un alezaj de Φ38 mm unde se va monta comutatorul electric. Tot în partea din față, cadrul este prevăzut cu o bandă fixată cu șuruburi în care se vor afla trei alezaje de Φ12 mm si găuri filetate M4 unde se vor fixa colierele pentru fixarea barelor sau a șuruburilor după reglarea curselor. Placa principală este fixată pe cadru prin asamblări demontabile, utilizând șuruburi M6 șaibe Nord-Lock (previn desfiletarea piuliței unde există vibrații) și piulițe. Un număr de 32 de șuruburi asigură fixarea placii pe cadru, dintre care, 20 sunt folosite în aceși timp și pentru fixarea șinelor ghidajelor de alunecare, care ghidează mișcarea cadrului mobil pe axa Y.

Ghidajele pe care se sprijină cadrul mobil împreună cu subansamblul de antrenare sunt de tip liniar, cu alunecare și am optat pentru modelul UGA Low Profile Uni-Guide Linear Slide de la PCB Linear, deoarece au o capacitate portantă destul de ridicată, se pretează excelent mediului de lucru cu particule mari, nu necesită lubrifiere iar întreținerea este facilă. Două șine și patru sănii asigură ghidarea pe axa Y.

Cadrul mobil este realizat din profile pline de S235, asamblate prin sudură. Pe cele 4 profile verticale se află găuri filetate pentru fixarea șinelor ghidajelor pentru axa Z. În profilele orizontale superior și inferior din partea din spate se află realizate alezaje în care se vor sprijinii rulmentii cu ajutotul cărora se va lăgărui șurubul Tr10x2. Reglarea jocului și fixarea acestuia se realizează din partea superioară cu ajutorul a două piulițe.

Pentru realizarea ghidării plăcii de susținere a subansamblului de antrenare pe axa Z, am ales, în pereche ghidaje de la Hepco Motion din seria GV3, mai precis un grup sanie plus șină cu profil V, iar pe partea opusă sanie plus sină cu profil plat. Astfel, erorile de paralelism rezultate în urma sudării profilelor verticale ar fi acoperite de către rolele cu profil plat. În mod analog, pe profilele verticale din partea din spate a cadrului s-ar afla aceleași ghidaje dar dispuse în oglindă fată de cele din față.

Placa de susținere a subansamblului de antrenare este realizată din bucăți de tablă de 5 mm de grosime sudate între ele și întărite pe partea inferioară pentru evitarea flambajului. În centrul plăcii se află un canal care permite realizarea mișcării grupurilor de frezare. De asemenea placa prevede alezajele de trece pentru suruburile de fixare a subansamblului de antrenare pe ea, acestea fiind în număr de 18. Pe latelarele acesteia se află alezajele de trecere pentru fixarea săniilor ghidajelor pe axa Z. Un ultim alezaj prezent pe această placă este cel în care se va fixa piuliță din bronz cu filet Tr10x2 lucru care, împreună cu rotirea șurubului conjugat vor permite mișcarea pe axa Z.

Placa principală, este din S235, are o grosime de 20 mm și dimensiunile de 1500×1000 mm. Pe ea se regăsesc găurile de trecere pentru fixarea ei pe cadrul fix, un locaș pentru fixarea rulmentului YRT50 care va lăgărui platiul rotativ împreună cu găurile de trecere pentru fixarea acestuia, alezajul pentru permiterea trecerii și lăgăruirii arborelui și pinionului care va antrena platoul rotativ, găurile pentru fixarea protecției platoului rotativ, o gaură filetată M10 unde se va fixa tija pentru susținerea subansamblului fixării semifabricatului și nu în ultimul rând un decupaj care să permită mișcarea suportului angrenajului conic între bara canelată și șurubul Tr10x2. Acest suport este realizat dintr-un profil L și este fixat de cadrul mobil. Astfel, va realiza aceeași mișcare ca acesta pe axa Y iar datorită asamblării prin caneluri între bara canalată și pinionul dințat conic, se va putea realiza și mișcarea pe axa Z, indiferent de cota la care se află cadrului mobil pe axa Y.

Figură . – Suport angrenaj conic culisant

Privind subamsamblul din partea inferioară se pot observa suporții și rulmeții cu ajutorul cărora se lăgaruiesc bara canelată, șurubul Tr20x4, arborii și cuplajul cardanic pentru antrenarea platoului. Pe partea laterală dreapta a subansambului se poate observa un suport din tablă îndoită pe care se sprijină portcablul de tip energy chain și care permite orientarea cablurilor de aliementare pentru motoare pe axa Y odată cu mișcarea cadrului mobil. Al doilea portcablu permite orientarea cablurilor pe axa Z odată cu mișcarea plăcii mobile.

După cum am menționat mai sus, mișcările permise sunt pe axa Y, Z, reglarea distaței între axele arborilor frezelor și antrenarea în mișcare de rotație a platoului rotativ. Astfel, privind echipamentul din față, vom observa în prima fază cele trei roți de mână din aluminiu cu diametrul de 100 mm. Prima de la stânga, este pentru reglarea cursei pe axa Z. Roata transmite mișcarea de rotație către bara canelată print-o asamblare cu pană. Bara canelată se află lăgăruită la ambele capete. De pe aceasta, cu ajutorul canelurilor mișcarea este transferată pinionului conic, care datorită suportului care ii permite angrenarea cu roata conică conjugată transmite mișcarea către aceasta, iar roata canelată, tot printr-o asamblare cu pană transmite mișcarea către surubul Tr10x2. Dat fiind că piulița șurubului trapezoidal este fixată de placa mobilă, la rotirea șurubului va urca sau coborî funcție de sensul de rotație a șurubului.

Figură . – Axă cinematică Z

Cea de-a doua roată permite mișcarea cadrului mobil pe axa Y. În acest caz, momentul este transferat de la roată la șurubul Tr20x4 tot cu ajutorul unei asamblări cu pană. La fel ca și bara canelată, șurubul este lăgăruit la ambele capete. Datorită fixării piuliței de bronz rectangulare pe piesa suport care este legată rigid de cadrul mobil, mișcarea de rotație se va transforma în mișcare de translție.

Figură . – Axă cinematică Y

Pentru antrenarea platoului rotativ se va folosi ce-a de-a treia roată, care va transmite mișcarea de rotație unui arbore de intrare, care va fi legat de arborele intermediar printr-un cuplaj cardanic, iar acesta va transmite mișcarea către arborele de ieșire printr-un angrenaj conic. La capătul arborelui de ieșire se află pinionul care va antrena platoul rotativ angrenând cu coroana montată pe acesta.

Figură . – Axă cinematică antrenare platou rotativ

Alimentarea motoarelor cu energie electrică se face prin intermediul unor conductori având secțiunea de 2,5 mm2, învelite întro manta a cărui diametru exterior este de 14 mm. Comutatorul cu ajutorul căruia se comandă pornirea sau oprirea motoarelor este un comutator cu came cu 3 pozitii, legat astfel încât să permită pornirea ambelor motoare sau doar a motorului care acționează grupul de frezare frontal (motorul din dreapta), în caz că se dorește prelucrarea pe contur circular a unei piese pline. Ghidarea cablurilor se face cu ajutorul unor portcabluri de tip lanț, astfel dispuse pentru a putea realiza mișcările pe axele Y si Z.

Figură . – Traseul circuitului electric

Subansamblu antrenare

Este compus dintr-un suport, grupul de frezare, motoarele pentru antrenarea frezelor și mecanismul de tensionare a curelelor de transmisie. Înafară de suport, am optat pentru fixarea elementelor cu ajutorul asamblarilor demontabile, pentru un montaj mai simplu și pentru a putea interveni mai ușor atunci când apare o defecțiune. Și în acest caz am optat pentru utilizarea șaibelor Nord-Lock în anumite locuri.

Figură . – Subansamblu antrenare

Suportul este realizat din plăci de tabla de 10 mm grosime, sudate, cele laterale având fante pentru permiterea trecerii curelelor și a mecanismului de intindere a curelelor, gauri pentru fixarea balamalelor care vor susține suporții motoarelor și găuri pentru fixarea grupului de frezare. Plăcile inferioare ale suportului vor dispune de alezajele necesare pentru fixarea acestuia pe placa mobilă din subansamblul cadru.

Grupul de frezare este alcătuit din 4 plăci de 10 mm grosime care vor constitui cadrul. Pe plăcile exterioare vor fi montate cu șuruburi patru ghidaje liniare cu profil rotund, de la PBC Linear, care vor ghida subgrupul față și subgrupul spate. Blocurile care vor culisa pe aceste profile circulare vor fi fixate de subgrupuri.

Figură . – Grup frezare, vedere izometrică

Mișcarea care permite reglarea distanței între axe este realizată cu ajutorul a două transmisii filetate trapezoidale, cea din față cu filet pe dreapta, iar cea din spate cu filet pe stânga. Șuruburile vor fi legate rigid la mijloc cu ajutorul unui cuplaj fix, iar pe capete vor fi lăgăruite cu bucșe de alamă. Pe subgrupurile de frezare, între blocurile de ghidare vor fi montate piulițele de bronz. În partea frontală a grupului, șuruburile for fi antrenate de un angrenaj cu trei roți dințate, roata din mijloc fiind cea directoare. Această roată dințată este antrenată de o roată de mână, iar blocarea și deblocarea ei se realizează cu ajutorul unui șurub cu cap randalinat. Astfel, rotind roata directoare în sens orar, grupurile de frezare se vor apropia, iar rotind in sens antiorar se vor depărta. Grupul de frezare poate fi asamblat separat si montat ulterior pe suport cu ajutorul unei chei tubulare

Figură . – Grup frezare, vedere laterală

Subgrupurile de frezare sunt similare și sunt formate din: suport arbore, blocurile pentru ghidare, piulițele de bronz cu filet trapeozidal, arborele având conicitate Morse 2, rulmenții de lăgăruire, piuliță de rulmenți, capac, fulia de antrenare, tijă filetată prindere portsculă, portsculă MK2, bridă elastică ER25 și scula. Reglarea jocului rulmenților se face cu ajutorul piuliței KM 5.

Figură . – Subgrup frezare vedere izometrica întreagă și secționată

Motoarele folosite pentru antrenarea frezelor sunt monofazate, de 2,2 kW, având o greutate de 17 kg. Datorită mișcării relative între subgrupurile de frezare, și nevoii de a menține cureaua de transmisie tensionată pentru a putea astfel transmite momentul de rotație de la axul motorului la arborele frezei, am optat pentru montarea motoarelor pe suporți rabatabili, fixați cu ajutorul unor balamale robuste.

Figură . – Motoarele monofazate cu suporții rabatabili

Menținerea curelelor de transmisie tensionate în mod constant am rezolvat-o prin introducerea unor pistoane cu gaz, care, în mod continuu vor împinge suporții motoarelor. Pe lângă rolul de tensionare a transmisiei prin curele, pistoanele cu gaz vor folosi și la atenuarea vibrațiilor. Pentru a avea o mișcare simetrică am introdus un mecanism patrulater care va lucra concomitent cu pistoanele pe gaz. Curelele de transmisie folosite sunt de tip SPZ, având lungimea exterioară de 1000 mm.

Figură . – Mecanism întindere curele trapezoidale la deschiderea minimă a frezelor

Figură . – Mecanism întindere curele trapezoidale la deschiderea maximă a frezelor

Subansamblu platou rotativ

Acest subansamblu permite, împreună cu subansamblul fixare semifabricat, fixarea semifabricatului în vederea prelucrării. Acest platou este conceput astfel încât să permită fixarea semifabricatelor cu dimensiuni cuprinse între 500 și 750 mm în diametru. Este compus dintr-o parte fixă, de formă circulară, care servește drept suport pentru celelalte piese cu ajutorul cărora se va putea regla cursa bacurilor. La bază, are montată o coroană dințată, care angrenează cu pinionul axei cinematice 3 de pe cadru și permite astfel mișcarea de rotație la platou. Baza platotului este realizată din oțel, S235 având grosime de 35 mm. Platoul dispune de 6 bacuri cu o cursă reglabilă de 120 mm.

Figură . – Platou rotativ

Reglarea cursei bacurilor se face cu ajutorul capacului. Acesta prezintă 6 canale semicirculare, care servers drept ghidaje pentru rulmenții de tip KRV. Acești rulmenți sunt fixați print-o asamblare filetată de niște tije, care la rândul lor se află fixăte de bacuri cu o siguranță elastică pentru arbori. Rotirea capacul într-un sens sau altul va determina mișcarea rulmeților după profilul canalelor frezate, realizând astfel culisarea simultană a celor 6 bacuri. Fixarea capacului după reglarea cursei se face cu ajutorul unui șurub central.

Figură . – Subgrup reglare bacuri și dispunerea lor pe platoul rotativ

După cum spuneam mai sus, pe baza părții fixe se află montată o coroană dințată, având un număr de 85 de dinți și modulul 2. Această roată, va trasmite momentul de la pinon la platoul rotativ.

Figură . – Coroană dințată montată pe baza platoului rotativ

Bacurile platoului se pot realiza fie din oțel fie din aluminiu, iar pe suprața de contact dintre semifabricat și bac se pot fixa, prin intemediul găurii filetate M4, tampoane de cauciuc sau plastic pentru a crește astfel coeficientul de frecare și a evita alunecarea semifabricatului pe bacuri în timpul prelucrării. Aceste tampoane servesc și pentru a evita amprentele rezultate în urma strângerii semifabricatului.

Fixarea platoului pe masa principală se face cu ajutorul unui rulment YRT50, rulment special conceput pentru astfel de aplicații. Acest rulment preia sarcini atât radiale cât și axiale. Rulmentul permite o sarcină axială dinamică de 56 kN și o sarcină radială dinamică de 28,5 kN. Tinând cont că platoul are o greutate de apoximativ 92 kg semifabricatul aproximativ 2,5 kg, sistemul de fixare a semifabricatului are aproximativ 23 kg, iar forța cu care acesta apasă semifabricatului nu poate fi mai mare de 18 kN, putem afirma că rulmentul este corect ales, rezultanta axială fiind de aproximativ 19,15 kN care este mult sub 56 kN. Momentul maxim de strângere pentru șuruburile M8 clasa 8.8 de pe sistemul de fixare este de 28,8 Nm, de unde rezultă o forță axială de 18 kN.

Subansamblu fixare semifabricat

Cu ajutorul lui se realizează fixarea semifabricatului pe platoul rotativ. Este alctuit din mai multe parți de oțel, S235, sudate, sub forma unei roți. Privind subansamblul de sus, în partea superioară a fost eliminată o piesă și parte din cercul exterior pentru a permite grupul de frezare frontal să ajungă până la centrul platoului. Diametrul centrului exterior este de 790 mm iar „spițele” sunt prevăzute cu canale de 150 mm pentru șuruburile care vor fixa grupurile de presare și ghidare. În partea inferioară, este prevăzut cu un suport in forma de L, care permite prinderea dispozitivului pe tija fixată pe masa principală, în jurul căreia se poate roti. Pe tija respectivă se află un guler de arbore cu fixare rapidă, care permite reglarea înălțimii dispozitivului. La celălalt capăt, suportul este prevăzut cu canale pentru șuruburile care permit pozitionarea dispozitivului în vederea fixării semifabricatului.

Figură . – Dispozitiv fixare semifabricat

Pentru a permite rotirea semifabricatului împreună cu platoul rotativ, am optat pentru folosirea unui inel, care să transmită forța axială rezultată din strângerea celor 3 piulițe special concepute, bazate pe ideea întinzătoarelor de cablu. Transmiterea forței axiale se face prin grupurile de presare, care sunt prevăzute cu un rulment radial.

Figură . – Grup presare semifabricat

Menținerea inelului pe semifabricat în timpul rotirii platoului este posibilă datorită grupurilor de ghidare, care de asemenea au în componența lor un rulment radial.

Figură . – Grup ghidare semifabricat

Inelul anterior menționat este prevăzut cu un guler, care are rolul de a-l menține atașat de dispozitiv în timpul fixării prin intermediul rulmenților grupurilor de ghidare. Pentru fixarea semifabricatelor de diferite dimensiuni este necesară schimbarea inelului. Un număr de 10 inele sunt suficiente pentru fixarea semifabricatelor cu diametre între 500 si 750 mm. Reglarea grupurilor funcție de inelul folosit se face cu ajutorului șurubului aflat în partea superioară a fiecărui grup.

Figură . – Fixarea semifabricatului – vedere în secțiune

Corpurile grupurilor de presare și ghidare se vor realiza din aluminiu. Rulmenții folosiți în grupurile de presare sunt SKF NKI 5/12 TN, iar cei folosiți în grupurile de ghidare SKF 625-Z. Sunt 6 grupuri de presare și 5 de ghidare. Fixarea rulmeților pe grupurile pe presare se face cu ajutorul unui știft cu cap și gaură pentru cui spintecat, iar pe grupurile de ghidare cu ajutorul unei șaibe și a unui șurub M5 cu cap semirotund.

Îmbunătățiri

Pentru o serie mică de produse, echipamentul reușește să rezolve problemele inițiale, mai precis, timpul mare de prelucrare și forma finală în raport cu cea teoretică. Dacă volumul de piese crește, pierderile datorită reglajelor mecanice se vor resimți mai tare. Asfel, una dintre soluții ar fi integrarea unui sistem de comandă-control cu servomotare și panou de comanda. Astfel axele Y, Z și rotația platoului ar fi controloate de servomotare. Pentru axele Y și Z motoarele se vor amplasa în partea din spate a mașinii, iar pentru rotația platoului, se va amplasa sub masă. O astfel de îmbunătațire ar permite realizarea operației de formă automată, manuale fiind doar operațiile de fixarea semifabricatului, inlăturarea piesei finale plus deșeuri și punerea altui semifabricat.

Calcule

Calculul puterii necesare

Primul calcul realizat a fost calculul puterii necesare realizării operației de frezare. Pentru acest calcul, am adoptat metoda de calcul folosită în frezarea longitudinală. Lucrările studiate referitoare la calculul puterii și a forțelor în frezarea lemnului, am căutat să fie realizate pe esențe dure, precum stejarul, acoperind astfel necesarul de putere și pentru esențele mai moi, precum pinul. Formula de calcul a puterii necesare este:

Am adoptat valoarea lui . Fiind o frezare pe contur circular, lățimea de frezare este egală cu diametrul frezei → , adâncimea de frezare este egală cu grosimea semifabricatului → . Viteza de avans este dată de rotația platoului, astfel, impunând ca platoul să execute o rotație completă în 30 [s] și știind că freza exterioară este poziționată la 500 mm fată de centul platoului, rezultă:

1 rot → 30 [s] → 2 [rpm];

Știind că turația la arborii frezelor este de 9000 rpm, viteza de frezare se calculează cu formula:

Astfel, la freza care prelucrează conturul exterior rezultă o putere necesară de:

Cu toate că puterea necesară realizării operației este de 0,325 kW am optat pentru alegerea unor motoare monofazate de 2,2 kW pentru fiecare freză deoarece sunt cele mai răspândite motoare monofazate utilizate pe echipamente de prelucrare a lemnului și pentru a putea acoperi necesarul de putere în cazul folosirii unei freze de diametru mai mare, pe o adâncime mai mare sau a unui material care are o forță de tăiere pe unitatea de arie mai mare.

Calculul transmisiilor filetate

După cum am arătat in capitolul precedent, mișcările pe axa Y și pe axa Z se fac cu ajutorul unor trasmisii filetate cu filet trapezoidal. Dimensionarea șuruburilor am făcut-o după cum urmează:

Pentru axa Z

Valorile cunoscute sunt greutatea subansamblului care trebuie manipulată și cursa. După definirea materialelor pentru fiecare piesa în programul SolidWorks, cu ajutorul funcției MassProperties am extras valoarea masei de manipulat, care este aproximativ 189 kg.

Figură . – Masa manipulată pe axa Z

Astfel, am ales un șurub trapezoidal cu diametrul nominal de 10 mm și pasul de 2 mm.

Figură . – Filet trapezoidal (profil nominal)

Tabel . – Dimensiuni filet trapezoidal Tr10x2

În partea inferioară a șurubului unde vine montată roata dintață conică care preia momentul de la pinionul aflat pe arborele canelat este indicat să se facă e verificare la torsiune.

(coeficient lagăruire cu rulmenți)

(momentul de înșurubare)

(unghiul de înclinare al elicei pe cilindrul de diametrul mediu d_2)

(unghiul de frecare aparent)

(coeficientul de frecare pentru cuplul de materiale șurub-piluță)

(unghiul de înclinare al flancului activ al filetului)

(modul de rezistență polar)

Dat fiind că rezistența la încovoiere pentru C45, materialul șuruburilor, cu concentratori de tensiune, este cuprinsă între 39 și 42 MPa, rezultă că tija filetată va rezista momentului încovoietor în secțiunea critică.

Pentru axa Y

Urmând aceeași logică, am calculat diametrul necesar șurubului necesar realizării mișcării pe axa Y. Și în acest caz materialul șurubului va fi C45 iar piulița de bronz. Masa pe care trebuie să o deplaseze aceastră transmisie filetată este mai mare ca în cazul precedent, ea fiind de aproximativ 264 kg.

Figură . – Masa manipulată pe axa Y

Chiar dacă din calcule rezultă că aș putea alege un filet cu diametrul nominal de 12 mm și pas de 3 mm, fiind valoarea următoare, am optat pentru un filet Tr20x4 pentru a evita pe cât posibil flambajul tijei filetate, dată fiind lungimea ei.

Tabel . – Dimensiuni filet trapezoidal Tr20x4

Calculul transmisiei prin curele

Motoarele electrice monofazate, vor antrena arborii frezelor cu ajutorul unor transmisii prin curele trapezoidale înguste de tip SPZ.

Figură . – Schema de calcul geometric al transmisiei prin curele

Valorile cunoscute în acest punct sunt:

Roțile de curea, atât pentru motor cât și pentru arbore sunt din aluminiu. Datorită constrângerilor de gabarit, roțile de curea pentru arborii frezelor vor avea un diametru primit Dpa de 56 mm.

Bazându-mă pe rezultatul de obținut pentru Dpm, pentru motoare am ales roți de curea cu diametrul primit de 200 mm.

Cureaua folosită are o lungime primitivă L impusă de 1000 mm, rezultând astfel o distanță între axe de:

Viteza periferică a curelei alese nu poate depăși 55 [m/s] conform datelor producătorului, lucru care se verifică conform:

Forța de întindere a curelelor, care este importantă pentru alegerea pistoanelor cu gaz se calculează astfel:

Astfel, prin alegerea unor pistoane cu gaz care dezvoltă o forță de 200 N, curelele vor fi in permaneță tensionate.

Itinerare tehnologic

Piesa la care voi raporta acest subcapitol este capacul cu canale din subansamblul platou rotativ, capac cu ajutorul căruia se reglează poziția bacurilor. Acesta este realizat din S275, are un diametru exterior de 360 mm, o grosime totală de 12 mm, un umăr de 2 mm în partea inferioară, un alezaj central de 10 mm și dispune de 6 canale semicirculare de 8 mm lățime, echidistant dispuse. Pentru o bună funcționare a rulmenților-camă, pereții canalelor nu trebuie să aibă o rugozitate mai mare de 3,2. Aproape toate prelucrările le-am atribuit centrelor de prelucrare CNC, pentru a pune în evidență cunoștințele dobândite la materia CPMU. Canalele se pot realiza și prin debitare cu laser, iar finisajele se pot face pe centre cu comandă numerică.

Figură . – Desen execuție capac reglare cursă bacuri

ITINERAR TEHNOLOGIC

Tabel . – Itinerar tehnologic

Concluzii și propuneri

În concluzie, pot spune că lucrarea și-a atins scopul reușind să surprindă totalitatea aspectelor teoretice referitoare la subiectul studiat. De asemenea, consider că am reușit să îmi îmbogățesc câmpul de cunoștințe privitoare la procesul de așchiere în lemn, proces diferit față de cel în metal, datorită anizotropiei specifice lemnului.

Din calculele teoretice realizate, echipamentul bifează cerințele inițiale și anume: reducerea timpului de prelucrare și obținerea unor piese a căror formă fizică să fie cât mai apropiată de cea teoretică. A doua cerință este bifată de platoul rotativ și sistemul de fixare. Pentru prima, trebuie menționat faptul că la prima piesă prelucrată, timpul este mai mare, deoarece este necesară reglarea sistemului de fixare, funcție de diametrul piesei. Acest reglaj nu poate dura mai mult de 5`. Timpii pentru montarea și fixarea semifabricatului și invers, nu pot depăși 2 min. Astfel, pentru prima piesă realizată timpul necesar este de 9`30„, cu 47% mai puțin față de timpul obținut prin metoda manuală, care este de 18`, iar de la a doua piesă timpul se reduce la 4`30„, cu 75% mai puțin.

Întreținerea echipamentului este relativ simplă, ghidajele alese neavând nevoie de ungere constantă, doar o mentenanță periodică. De asemenea, am încercat să folosesc pe cât posibil piese din comerț, pentru a putea găsi cu ușurință inlocuitor în caz de avarie.

Pentru operațiile de frezare în semifabricate de esență moale, de tipul bradului, propun să se păstreze aceeași viteză de avans, dată de rotirea platoului în 30„.

O altă aplicabilitate a mașinii este aceea de finisare a suprafețelor circulare interioare și exterioare, dacă, in locul frezelor se montează tamburi cu bandă abrazivă.